微生物所在病原菌耐藥基因組學研究中取得系列進展

　　細菌耐藥是全球範圍內持續關注的熱點問題。多重耐藥細菌甚至超級耐藥細菌的不斷出現給臨床抗感染治療帶來極大挑戰。世界衛生組織（WHO）在今年4月重申了耐藥問題的嚴重性：細菌耐藥已威脅到當代醫學成就，21世紀很可能進入後抗生素時代——普通的感染甚至是小的創傷即有可能造成死亡。中國科學院微生物研究所在2014年初揭牌成立了「病原微生物耐藥和耐藥基因組學北京市重點實驗室」，專門從事耐藥微生物的基因組學、耐藥機制及傳播機制的研究。繼2013年8月和2014年初重點實驗室朱寶利研究組在Nature Communications，Scientific Reports 和Gut Microbes上發表了人體腸道細菌耐藥基因與動物抗生素使用之間的相關性及耐藥基因隨個體年齡變化的規律的研究工作後，近來在臨床病原菌的耐藥基因組學研究中又取得了系列新進展。

　　進展一：木糖氧化無色桿菌是一種非發酵革蘭氏陰性桿菌，近年來在臨床樣品中的分離率顯著升高。由於其天然耐受多種抗生素，往往導致臨床治療的失敗，引起包括菌血症在內的嚴重感染，在兒童和免疫妥協病人中尤為嚴重。朱寶利課題組胡永飛等對該菌的標準菌株ATCC 27061進行了完成圖的測序分析（圖1A），從其基因組中預測了50個與該菌天然耐藥相關的耐藥基因（圖1B）。此外，該研究又從一株臨床分離株的基因組中鑑定了一個長度為115 kb的新的整合性接合元件ICEAx02736-1（圖1C）。該元件除了編碼多個與自身移動相關的酶之外，還編碼一個可能與自身穩定性相關的I型限制修飾系統。有趣的是ICEAx02736-1自身被一個結構複雜的新轉座子（命名為Tn6203）所打斷，而該轉座子又被另外一個編碼汞抗性基因簇的轉座子（Tn4387）所打斷。分析發現Tn6203很可能來源於沙門氏菌基因島SGI1，在進化過程中丟失了一段7 kb的序列、通過整合子整合了兩個新的耐藥基因並獲得了一個重金屬抗性轉座子（圖1D）。該研究部分闡明了木糖氧化無色桿菌的天然耐藥和獲得性耐藥機制，同時進一步揭示了可移動遺傳元件結構的多變和複雜性及其在介導菌株獲得性耐藥中的作用。

　　進展二：鮑曼不動桿菌是另外一類重要的臨床條件致病菌，具有快速獲得耐藥基因的能力，是我國乃至世界範圍內院內感染最重要的病原菌之一。碳青黴烯類抗生素耐藥通常被認為是細菌跨越了臨床抗感染治療中的最後一道防線。朱寶利課題組與北大人民醫院合作開展了於1999年至2011年分離自中國9個城市、13家醫院的35株（圖2A，含32株碳青黴烯類抗生素耐藥株和3株敏感株，根據菌株分型選自504株臨床株）鮑曼不動桿菌代表菌株的測序和比較基因組分析工作。該研究發現了鮑曼不動桿菌基因組中的大量變異，包括點突變和大片段的缺失和插入。從耐藥株中鑑定了10種不同結構的AbaR耐藥基因島（鮑曼中最重要的耐藥元件）（圖2B、C）。所有菌株中均含有轉座子或插入元件；分析顯示這些元件在鮑曼菌中的進化中逐漸趨於多樣化。此外，該研究鑑定了3個碳青黴烯酶編碼基因的新變體。該研究系首次對國內碳青黴烯耐藥鮑曼不動桿菌的不同年代和大範圍菌株的比較基因組和進化分析，進一步揭示了鮑曼不動桿菌基因組的可塑性和碳青黴烯抗生素耐藥鮑曼菌潛在的進化機制。

　　上述兩部分工作於12月8日在細菌耐藥專業期刊Antimicrobial Agents and Chemotherapy (AAC)上在線發表。

　　進展三：如上所述，作為一種極其重要的臨床病原菌，鮑曼不動桿菌的毒力、耐藥基因及基因組進化也是研究關注的重點。課題組從306醫院臨床樣本中分離了38株多重耐藥和1株藥物敏感鮑曼不動桿菌，對其中7株耐藥代表菌株和1株敏感菌進行了比較基因組學分析。經與所有鮑曼不動桿菌基因組完成圖的比較，研究初步定義了該菌的「Pan-genome」和「Core-genome」（圖3）、分析了菌株中潛在的毒力基因的分布和進化、菌株攜帶的耐藥基因及可移動遺傳元件的多樣性和差異等，並從敏感菌的基因組中通常插入耐藥島的位置發現了一個不攜帶耐藥基因的新的基因島，命名為GIBJ4。該研究從進化層面解析了鮑曼不動桿菌基因組多變的潛在原因，進一步明確了突變、轉座子、基因組島在該菌不斷獲得耐藥性過程中發揮的決定性作用。

　　相關研究Comparative genomic analysis of Acinetobacter baumannii clinical isolates reveals extensive genomic variation and diverse antibiotic resistance determinants 於12月17被BMC Genomics 雜誌接收。助理研究員劉飛、副研究員胡永飛分別為該文章的第一作者和通訊作者。

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　　圖1. A.木糖氧化無色桿菌ATCC 27061全基因組完成圖；B.木糖氧化無色桿菌耐藥基因在同種間高度保守；C.木糖氧化無色桿菌臨床株X02736基因組中含有一個新的整合性接合元件ICEAx02736-1；D. ICEAx02736-1攜帶的新轉座子Tn6203的比較基因組分析。

 

　　圖2. A. 35株鮑曼不動桿菌的進化分析；B. 碳青黴烯耐藥鮑曼菌中10種不同結構的AbaR耐藥基因島結構和聚類；C. 碳青黴烯耐藥鮑曼菌中10種耐藥基因島的進化關係。

　　圖3. 鮑曼不動桿菌的「Pan-genome」和「Core-genome」分析。A. 「Pan-genome」和「Core-genome」的基因數量；B. Pan-基因和Core-基因在不同菌株中的分布；C. Pan-基因和Core-基因的COG分類。